變電站高壓斷路器分合閘裝置故障分析及性能優(yōu)化設計

阮彥俊，李良創(chuàng)，吳澤宇

（中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司廣州局,廣東廣州，510000）

1 斷路器操作機構故障研究現(xiàn)狀及故障分析

早期我國的電力系統(tǒng)中，斷路器成本低，相較于發(fā)電機組等設備，斷路器故障引起的非計劃性停車故障損失較小，因斷路器故障引起的停電重視程度不夠。進入20世紀以來，世界經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域用電負荷快速增長，斷路器故障率越來越高，造成的電力系統(tǒng)損失越來越大，因此斷路器結(jié)構及故障等研究得以重視并相關技術應用日益增多。

高壓斷路器操作機構主要包括電磁型、電動型、液壓型、氣動型、彈簧型等機構。目前我國220KV及其以下電力系統(tǒng)中的變電站、電力控制設施中彈簧操作機構應用較為廣泛。彈簧操作機構為斷路器的分合閘提供動力，在壽命周期內(nèi)，高壓斷路器操作次數(shù)有限，伴隨使用年限增加，斷路器動靜觸頭燒蝕現(xiàn)象會逐漸嚴重，彈簧疲勞損耗、操作機構潤滑等機械性故障會普遍增多，實際電力系統(tǒng)運行中，卡澀、誤動、拒動、斷裂、線圈燒毀、合閘失效等故障。另外，目前很多廠家斷路器的分合閘線圈繞組一般較細，耐熱能力差，在長時通流幾十秒后，就會過熱燒損。分合閘線圈一旦過熱燒損，整個機構的分閘功能就會異常甚至失效，造成斷路器拒動。嚴重影響了斷路器分合閘可靠性[2]。

2 斷路器分合閘裝置作用機理

高壓斷路器分合閘線圈主要由外殼、線圈、鐵芯構成，分合閘線圈通過電流信號產(chǎn)生電磁力實現(xiàn)分合閘功能，同時高壓斷路器利用儲能機構為合閘彈簧提供動能。根據(jù)電磁理論，斷路器操作機構工作及分合閘機理在于，線圈通電后，鐵芯在磁通作用下，受到電磁力吸引運動，撞擊頂桿。斷路器儲能電機電流與輸出力矩相互關聯(lián)和對應，合閘彈簧發(fā)生疲勞、斷裂等故障時，彈力變化引起負載減小，引起儲能電機輸入電流和輸出力矩減小。如圖1所示。

圖1 典型高壓斷路器分合閘線圈電流曲線特性

如圖2所示的分合閘線圈以及操動裝置，當遠方或就地給出分合閘命令時，控制回路接通，分合閘線圈通電，被線圈包裹的頂桿在電磁力的作用下開始作加速運動，直到撞擊到銜鐵，頂動分合閘棘爪，實現(xiàn)分合閘操作。對于分合閘線圈的頂桿間隙和電磁鐵間隙，標準要求為頂桿間隙在0.8mm-1.2mm之間，電磁鐵間隙在2.8mm-3.2mm之間[3]。

圖2 斷路器分合閘機構間隙

圖2所示頂桿間隙，表示頂桿在撞擊棘爪“扳機”之前所能夠加速運動的距離，在一定的距離范圍內(nèi)，可加速運動的距離越大，則撞擊時刻的瞬時速度就越大，瞬時的撞擊力就越大，越能夠有效頂開分閘棘爪，可靠分閘。頂桿間隙可由頂桿底部的大螺栓來調(diào)節(jié)。

圖2所示電磁鐵間隙，表示整個頂桿能夠運動的總行程，減去頂桿間隙就能夠得到?jīng)_程，沖程意味著頂桿在與棘爪“扳機”接觸撞擊后，依然能夠?qū)⑵渫巴七M的距離，若距離不夠，也不能使分閘棘爪有效脫開，不能使分閘可靠動作。總結(jié)來說，上面的頂桿間隙調(diào)整用于控制動作力度，下面的電磁鐵間隙調(diào)整用于控制沖程和推動距離，兩者一起決定了是否能夠帶動機構進行正常的分合閘。

3 斷路器線圈燒損原因分析及優(yōu)化設計

3.1 斷路器線圈燒損原因分析

針對廣州局某變電站發(fā)生的一起斷路器機構內(nèi)分閘線圈燒毀事故進行分析，分閘線圈燒損融化，頂桿隨之卡死，機構箱整個燒損冒煙，造成整個機構的分閘功能失效。合閘線圈燒壞，是因為線圈長時間通流過熱引起的，這種分合閘線圈繞組很細，耐熱能力不佳，一般在持續(xù)通電幾十秒之后，就會造成燒毀。如圖3所示。

圖3 斷路器線圈燒毀

可能造成線圈通流時間過長的原因分析如下：（1）線圈通電后，由于頂桿卡澀不能動，不能正常切換開關的分合閘狀態(tài)，造成分閘回路持續(xù)通電，分閘線圈過熱燒損。（2）線圈通電后，頂桿能夠正常動作，但是由于頂桿間隙和電磁鐵間隙不合適，造成頂桿動力不足或是行程不夠，無法頂動分閘棘爪，從而造成分閘回路持續(xù)通電，分閘線圈過熱燒損。（3）線圈通電后，頂桿能夠正常動作，也能夠頂動分閘棘爪，開關正常動作，能夠?qū)崿F(xiàn)分合閘狀態(tài)的切換，但是由于輔助觸點接觸不好，無法對分閘回路進行切斷，造成分閘回路持續(xù)通電，分閘線圈過熱燒損[4]。（4）匝間絕緣有問題，異常發(fā)熱造成分閘線圈的燒損。

3.2 優(yōu)化設計方案

針對此次線圈燒毀原因分析，解決方案1為：為了保證分閘功能的可靠性，彈簧機構中設置兩個分閘線圈，即分1線圈和分2線圈，這兩個線圈的正常與否直接影響著分閘功能是否正常，是否會誤分和拒分。所以在日常檢修維護作業(yè)當中，這兩個線圈的電阻值需要重點關注。

先進行線圈更換，然后進行頂桿間隙和電磁鐵間隙的調(diào)整，檢測輔助觸點的有效性，最后進行多次實驗，確定能夠有效進行分合，無異常發(fā)熱情況即可。

但是此種彈簧機構的分閘線圈設計上存在一定缺陷。之前的機構設計上雖然考慮到分閘動作的可靠性和重要性設計了兩個分閘線圈，但是卻又將分一線圈和分二線圈緊緊貼合置放在一起。這樣雖然在動作可靠性上可能有提升，但是在應對過熱缺陷，反而存在劣勢。只要分1線圈和分2線圈中的任意一個存在過熱燒損，直接就會造成另一邊緊挨著的另一部分分閘線圈關聯(lián)燒損，使動銜鐵變形夾死，不能再進行下次的操作。其中任意一個線圈的缺陷都有可能蔓延到另一個線圈，存在明顯隱患。

面對當前機構中存在的問題，提出了解決方案如圖4所示。圖4中不僅使用了雙分閘線圈，還使用了雙分閘控制機構，改進后的設計擁有兩套線圈，兩個頂桿，兩套觸發(fā)機構實現(xiàn)了真正意義上的復用和備用，保證了分閘功能的可靠性和分閘機構的復用性。但是由于目前各變電站使用該機構的開關數(shù)量過多，若逐一采用圖4中的機構更換，不僅工程量大，工作任務重，停電周期也難以協(xié)調(diào)安排，費時費力且經(jīng)濟成本較高。

圖4 設置雙合閘線圈改進后設計

因此，提出了解決方案2：設計了一套裝置來以最小的改動實現(xiàn)分合閘線圈的防長時間通流功能，禁止分合閘線圈長時間通電，從而控制其熱量的產(chǎn)生，徹底杜絕此類分合閘線圈過熱燒毀的惡性事件的發(fā)生。方案2中，在機構箱內(nèi)加裝一個延時繼電器來防止分合閘線圈的長時間通流。加裝的延時繼電器是不能串聯(lián)進回路當中的，若將延時繼電器的線圈串聯(lián)進回路當中，會進行分壓，分合閘線圈得到的電流小，可能會影響分合閘動作的可靠性，對分合閘動作特性產(chǎn)生一定程度的影響。所以需加裝一個并聯(lián)的電壓監(jiān)視繼電器，來進行分閘回路的通電監(jiān)視，而在分閘回路的串聯(lián)回路中僅加入一對常閉節(jié)點來控制執(zhí)行分合閘回路在長時間通流時的切斷工作。當分合閘線圈長時間通流時，電壓監(jiān)視繼電器動作，控制回路中串入的常閉接點斷開，切斷電流，有效防止分合閘線圈的長時間通流導致的過熱燒損[5]。方案2主要優(yōu)點在于：（1）在機構箱內(nèi)加裝延時繼電器的策略，能從根源上制止發(fā)熱。相對于考慮發(fā)熱燒損后，如何降低損失所進行的機構更換，這種從一開始就保證不會過熱是從源頭上解決了本質(zhì)問題。（2）操作更加簡單便捷。僅加入一個延時繼電器和一對常閉節(jié)點即可有效預防事故發(fā)生，操作簡便，并不需要換整個機構那么大的工程量，并且機構箱中有足夠的空間來加裝此延時繼電器。另外，比起將目前使用的持續(xù)性分閘信號修改成脈沖式，加裝延時繼電器從操作上也更加簡單便捷。（3）保證安全。當分合閘線圈長時間通流，電壓監(jiān)視繼電器動作，控制回路中的常閉接點斷開時，可以直接通過控制回路斷線來發(fā)信號，并不需要另外加裝通信電纜。分合閘線圈長時間通流這一異常狀態(tài)將一直由控制回路斷線信號納入可管控狀態(tài)，進一步保證了安全性。（4）更加經(jīng)濟：相對于方案1，加裝延時繼電器的策略并不需要更多人員在現(xiàn)場配合。并且工程量小，用料省，工期短，停電時間也更易配合，大大提升了經(jīng)濟型和可執(zhí)行性。（5）易推廣，可執(zhí)行性好。方案2簡單便捷，經(jīng)濟型高，安全性好等優(yōu)勢也決定了此方案的可執(zhí)行性高且可推廣性強，用很小的代價大大提升各變電站站點斷路器運行的安全可靠性，性價比高。